CN209490091U - 一种颅缝早闭手术模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颅缝早闭手术模拟系统，包括：操作台主体，立体颅骨模型及手术器械；所述操作台主体上部设置有模型固定装置，所述立体颅骨模型与所述模型固定装置连接，所述手术器械与所述操作台主体电性连接；所述立体颅骨模型的内部设有模拟手术层，所述模拟手术层由外往内依次由模拟骨质层、模拟出血点层及模拟力反馈层组成，所述模拟出血点层有循环液体结构组成，所述模拟力反馈层由微型传感器阵列组成。本实用新型提供针对病患的提供个性化的立体颅骨模型，使复杂的颅骨重建手术可视化，可以让医生们进行术前规划，进行实物手术预演，并不断调整优化手术方案，使颅骨重塑后更加美观，并降低手术风险。

Description

一种颅缝早闭手术模拟系统

技术领域

本实用新型涉及手术模拟技术领域，特别涉及一种颅缝早闭手术模拟系统。

背景技术

颅缝早闭症，是不同部位的颅缝过早闭合，导致颅骨生长发生改变，影响了头颅和脑的正常发育，从而产生的一组疾病的统称。在某些病例中，颅腔有足够空间适应脑部发育，但是会造成头颅畸形和面部特征异常。在另外一些病例中，颅腔狭小不能适应脑部正常发育，会导致颅内压增高，造成视力缺陷、睡眠障碍、吞咽困难或智力发育障碍和智力低下等。

对于所有类型的颅缝早闭而言，目前手术是治疗的唯一办法，通过手术介入，医生力求规范颅骨的形状从而使颅顶正常发育。如果颅缝早闭不加以治疗，头颅畸形将逐步恶化，患者的外貌和正常功能将受到极大影响。

对于最为严重的一种类型——综合征型颅缝早闭，就更需要在最为适当的时候接受手术的治疗。对于这种类型的颅缝早闭，治疗方式更为复杂，或者可以理解为一项长时间的工程，这项工程可以包括后颅牵张成骨扩大术、额眶前移前颅扩大术、面中部的牵张成骨等。

目前的手术治疗方案主要有颅缝再造手术或颅骨部分切除减压术两种。经过手术治疗，不仅患者的外貌可以恢复正常，而且颅内压增高、视力减弱和精神障碍等均可得到不同程度的改善。手术有两个重要的目的：一是要把患者畸形的颅骨全部拆卸，松解被压迫的大脑；二是对颅骨进行分割，逐个塑成需要的形状，再重新拼接，这个过程就像玩拼图一样。

每一例颅缝早闭症的矫形手术都是独一无二的，但以前进行颅骨矫形手术全靠术中解剖后按实际情况凭经验实施，到底效果如何只能等手术结束，头皮缝合完后才能看出来。颅缝早闭症的矫形手术不仅需要技术，还要有立体裁剪的艺术美感，对于患者来说手术风险很大，也可能存在出血的可能。

如果在手术过程中通过医生导师的指导学习提升颅缝早闭症手术技能，这种方法有悖于伦理道德，可能会造成患者的伤害且容易引发医患纠纷。

如果通过虚拟现实技术，借助计算机技术模拟手术环境，医生通过适当装置对三维虚拟界面进行交互模拟手术，但目前该技术实时性、体验感差，而且系统设计复杂。

实用新型内容

为了解决上述背景中的技术问题，本实用新型中披露了一种颅缝早闭手术模拟系统。

本实用新型的技术方案是这样实施的：本实用新型提供一种颅缝早闭手术模拟系统包括：操作台主体及立体颅骨模型；所述操作台主体上部设置有模型固定装置，所述立体颅骨模型与所述模型固定装置连接；所述立体颅骨模型的内部设有模拟手术层，所述模拟手术层由外往内依次由模拟骨质层、模拟出血点层及模拟力反馈层组成，所述模拟出血点层有循环液体结构组成，所述模拟力反馈层由微型传感器阵列组成。

优选地，所述模拟骨质层、所述模拟出血点层及所述模拟力反馈层均为可拆卸连接。

优选地，所述循环液体结构包括第一模拟血管和第二模拟血管，所述第一模拟血管和所述第二模拟血管等间距连续纵横排列。

优选地，所述循环液体结构设有液体进口与液体出口，所述液体进口与设置在操作台主体内的微型水泵连接，所述液体入口与设置在操作台主体内的集液器连接，形成的整体动态循环模型。

优选地，还包括与所述操作台主体电性连接的手术器械，所述手术器械为模拟颅骨手术刀。

优选地，所述模型固定装置为万向转动固定台，所述万向转动固定台上部设置有模型固定卡扣；所述立体颅骨模型由模拟手术层以及支撑主体组成，所述模拟手术层与支撑主体之间可拆连接。

优选地，所述模拟手术层还包括模拟皮脂层，所述模拟骨质层外表面设置有模拟软组织的所述模拟皮脂层。

优选地，还包括控制面板，所述控制面板上设置第一显示装置和第二显示装置，所述第一显示装置用于实时显示监测到的微型传感器位置和压力，所述第二显示装置用于显示实现监测到的模拟颅骨手术刀的切割信息。

优选地，还包括3D打印装置，用于打印制作所述立体颅骨模型。

优选地，所述立体颅骨模型由透明光敏树脂材料制成。

实施本实用新型的有益效果主要有：

本实用新型将医学图像处理、3D打印和模拟手术相结合，根据实际临床需要，模拟人体颅骨结构的手术层组织以及手术过程中的反馈信息，操作者可在此进行颅缝早闭手术的全过程模拟演练。

本实用新型在术前就采用3D建模技术等比例还原患儿头颅，并按1∶1的比例打印出患者的颅骨模型，在颅骨模型上预先设定切割方案、模拟手术切割线及拼接方案等，确保“精准手术”，克服现有技术容易造成对颅骨的过度切割，对骨瓣带来很大损伤，存在出血的可能的缺点。

本实用新型可以在主治医生的指导下，提供针对特定病患的个性化的手术规划，使复杂的颅骨重建手术可视化，可以让医生们进行术前规划，进行实物手术预演，并不断调整优化手术方案，使颅骨重塑后更加美观，并降低手术风险，尤其适用于那些可能不是那么熟悉这些手术的医生们。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中，一种颅缝早闭手术模拟系统结构示意图；

图2为一个实施例中，模拟手术层结构示意图；

图3(a)为一个实施例中，模拟骨质层结构示意图；

图3(b)为一个实施例中，模拟出血点层结构示意图；

图3(c)为一个实施例中，模拟力反馈层结构示意图；

图4为一个实施例中，一种颅缝早闭手术模拟方法示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：1-模拟手术层，10-模拟骨质层，11- 模拟出血点层，111-第一模拟血管，112-第一模拟血管，12-模拟力反馈层，121- 微型传感器，2-模型固定卡扣，3-万向转动固定台，4-操作台主体，5-控制面板， 51-第一显示装置，52-第二显示装置，6-模拟颅骨手术刀，7-集液器，8-模拟手术层连接线，9-立体颅骨模型。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种颅缝早闭手术模拟系统，包括：操作台主体4，立体颅骨模型9及手术器械；所述操作台主体4上部设置有模型固定装置，所述立体颅骨模型9与所述模型固定装置连接，所述手术器械与所述操作台主体4电性连接。所述立体颅骨模型9的内部设有模拟手术层1，所述模拟手术层 1由外往内依次由模拟骨质层10、模拟出血点层11及模拟力反馈层12组成。优选地，所述模拟骨质层10内表面覆盖所述模拟出血点层11，所述模拟出血点层11内表面覆盖所述模拟力反馈层12。所述模拟骨质层10为模拟畸形骨质层。其它实施例中，所述模拟手术层1可以为可拆卸连接。所述模拟骨质层10、模拟出血点层11及模拟力反馈层12均可以可拆卸连接。所述模拟手术层1通过模拟手术层连接线8与操作台主体4连接。其中，所述模拟手术层连接线8包括模拟出血点层连接线和模拟力反馈层12连接线。其它实施例中，所述模拟出血点层11及模拟力反馈层12的位置可以调整，所述模拟手术层1由外往内依次由模拟骨质层10、模拟力反馈层12及模拟出血点层11组成。

如图2和图3所示，所述模拟出血点层11有循环液体结构组成，当手术切割深度过深时，会划破模拟出血点层11的循环液体结构，其内部的液体会有外渗流出。其他实施例中，所述模拟出血点层11还可以使模拟骨质层10内部达到预设的压力，以此模拟颅缝早闭患者的颅内压力，使模拟手术更加真实。

所述模拟力反馈层12由监测待测点受到的压力大小的微型传感器阵列组成。所述循环液体结构包括连续U形排列的第一模拟血管和连续U形排列的第二模拟血管，所述第一模拟血管111和所述第二模拟血管112等间距连续纵横排列形成有多个交点，每个所述交点与所述微型传感器阵列的每个微型传感器121 对应设置。其中，所述循环液体结构的排列密度，模拟血管的尺寸以及微型传感器121的数量根据每个患者的实际情况确定。其它实施例中，所述第一模拟血管111和所述第二模拟血管112均为可拆卸连接的连续结构。所述U型弯曲部分与直线部分可拆卸连接，便于更换划破的出血点，不需要更换整个层结构。

作为一优选实施例，所述循环液体结构设有液体进口与液体出口，所述液体进口与设置在操作台主体4内的微型水泵连接，所述液体入口与设置在操作台主体4内的集液器7连接，形成的整体动态循环模型，用于保证当循环液体结构被划破时，其内部的液体会有外渗流出。所述模拟出血点层11还可以通过微型压力传感器监测其内部压力，当压力达到预设值时，保持微型水泵工作功率，进入保压状态。所述操作台主体4内侧面设有开口，便于取出和放置集液器7。

作为一优选实施例，所述手术器械为模拟颅骨手术刀6，所述模拟颅骨手术刀6包括模拟切割反馈单元，所述模拟切割反馈单元用于对所述模拟颅骨手术刀6在所述模拟骨质层10的切割深度、切割力度以及刀头旋转速进行模拟。

作为一优选实施例，所述模型固定装置为万向转动固定台3，所述万向转动固定台3上部设置有模型固定卡扣2；所述立体颅骨模型9由模拟颅骨组织以及支撑主体组成，所述模拟颅骨组织与支撑主体之间可拆连接。其它实施例中，所述支撑主体为可变形的弹性结构，能够紧压所述模拟手术层。

作为一优选实施例，本实施例还包括3D打印装置，选用不同颜色、硬度且与患者颅骨组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作所述立体颅骨模型9。所述颅骨模型可以由透明光敏树脂材料制成，便于直接观察出血点位置。所述模拟出血点层11由透明的软胶材料制成。所述循环液体结构内的液体带有颜色，不是透明的。

作为一优选实施例，本实施例还包括数据分析处理单元，所述数据分析处理单元用于接收每个压力传感器的数据信号并依据接收到的数据信号获取切割轨迹数据以及切割压力数据。其他实施例中，所述接收到的数据信号可以绘制形成切割轨迹曲线以及切割压力分布图。

所述数据分析单元用于接收模拟出血点层11的数据信号并依据接收到的数据信号获取出血位置数据。所述出血点位置可以结合微型传感器获取，出血点位置的切割压力会于大于一般切割压力，通过压力异常点确定出血点位置。所述出血位置可以通过打开模拟骨质层10直接观察确定出血点位置。

所述数据分析处理单元用于接收所述模拟切割反馈装置的数据信号并依据接收到的数据信号获取所述模拟骨质层10的切割深度数据、切割力度数据以及刀头旋转速数据。所述模拟切割反馈装置包括：触力传感器，用于检测切割手术过程中手术刀上的切割深度数据和切割力度数据；三维跟踪设备，检测手术刀的位置及手术刀的姿态。加速度计，与三维跟踪设备检测到的信息结合，获得手术刀头旋转速数据。

作为一优选实施例，所述装置还包括控制面板，所述控制面板设置在类长方体的操作台主体4正面，便于用户交互。所述控制面板5上设置第一显示装置51和第二显示装置52，所述第一显示装置51用于实时显示监测到的微型传感器位置和压力，所述第二显示装置52用于显示实现监测到的模拟颅骨手术刀 6的切割深度数据、切割力度数据以及刀头旋转速数据。其它实施例中，所述控制面板5还包括若干手动操作按钮。

本实施例还可以包括有可拆卸的模拟皮脂层，所述模拟骨质层10外表面设置有模拟软组织的模拟皮脂层。

实施例二

如图4所示，一种颅缝早闭手术模拟方法，包括以下步骤：

S1：通过三维CT扫描设备或者MRI设备对患者头颅进行扫描，获得患者头颅的图像数据。

S2：通过从患者头颅信息的图像数据中筛选出目标组织区域的图像数据，建立患者颅骨三维轮廓模型，按照1:1比例为患者3D打印立体颅骨模型9。所述目标组织区域可以为实施例一中所述的模拟手术层1，也可以根据操作者自己定义。

S3：使用模拟颅骨手术刀6在所述立体颅骨模型9上对模拟骨质层10进行切割，确定手术的最佳切割路线、需要切割骨瓣的最佳数量和最佳形状，并通过模拟出血点层11及模拟力反馈层12实时产生的反馈信息，获取精确的手术操作方案，得到模拟手术后的患者最优治疗方案。

本实施例中，所述步骤2还包括，将所述患者颅骨三维轮廓模型与正常颅骨模型对比，通过几何变换使患者颅骨三维轮廓模型达到正常颅骨的外观要求，并将该经过几何变换后的三维模型作为手术目标模型，从而初步确定手术的切割路线、需要切割的骨瓣数量和形状，沿着切割路线对患者的立体颅骨模型9 进行模拟切割。优选地，切割路线规避不需要分离的部位和重要的解剖结构以减小手术风险。本实施例根据患者年龄的正常颅脑大小对患者颅骨模型进行几何变换，对其进行术后预测。然后根据术后预测的结果进行患者颅骨进行重建，并设计出合理的骨瓣数量、骨瓣大小、切割路线及各骨瓣之间的拼接结构和方式。最后根据设计好的骨瓣通过颅缝早闭手术模拟系统进行颅缝早闭手术模拟。

本实施例中，所述步骤3通过所述立体颅骨模型9的模拟骨质层10产生实时反馈感知切割深度、切割力度以及刀头旋转速，通过所述立体颅骨模型9的模拟出血点层11产生实时反馈感知出血点位置，通过所述立体颅骨模型9的模拟力反馈层12产生实时反馈感知切割轨迹及切割压力大小。作为一优选实施例，所述步骤3通过数据分析处理模块接收每个压力传感器的数据信号，并依据接收到的数据信号绘制形成切割轨迹曲线以及切割压力分布图。

作为一优选实施例，所述步骤3通过数据分析处理单元用于接收触觉反馈设备的数据信号，并依据接收到的数据信号绘制形成切割深度曲线以及切割深度分布图。

在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文实施例提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本实用新型揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合附图和上文所能理解或推断而得出的。

最后需要指出的是，上文所列举的实施例，为本实用新型较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本实用新型的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本实用新型的保护范围或者应用。因此，在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于，包括：操作台主体及立体颅骨模型；

所述操作台主体上部设置有模型固定装置，所述立体颅骨模型与所述模型固定装置连接；

所述立体颅骨模型的内部设有模拟手术层，所述模拟手术层由外往内依次由模拟骨质层、模拟出血点层及模拟力反馈层组成，所述模拟出血点层由循环液体结构组成，所述模拟力反馈层由微型传感器阵列组成；

所述模拟骨质层、所述模拟出血点层及所述模拟力反馈层均为可拆卸连接；

所述循环液体结构包括第一模拟血管和第二模拟血管，所述第一模拟血管和所述第二模拟血管等间距连续纵横排列。

2.根据权利要求1所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：所述循环液体结构设有液体进口与液体出口，所述液体进口与设置在操作台主体内的微型水泵连接，所述液体入口与设置在操作台主体内的集液器连接，形成的整体动态循环模型。

3.根据权利要求1所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：还包括与所述操作台主体电性连接的手术器械，所述手术器械为模拟颅骨手术刀。

4.根据权利要求1所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：所述模型固定装置为万向转动固定台，所述万向转动固定台上部设置有模型固定卡扣；所述立体颅骨模型由模拟手术层以及支撑主体组成，所述模拟手术层与支撑主体之间可拆连接。

5.根据权利要求1所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：所述模拟手术层还包括模拟皮脂层，所述模拟骨质层外表面设置有模拟软组织的所述模拟皮脂层。

6.根据权利要求1所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：还包括控制面板，所述控制面板上设置有第一显示装置和第二显示装置，所述第一显示装置用于实时显示监测到的微型传感器位置和压力，所述第二显示装置用于显示实现监测到的模拟颅骨手术刀的切割信息。

7.根据权利要求1所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：还包括3D打印装置，用于打印制作所述立体颅骨模型。

8.根据权利要求7所述的颅缝早闭手术模拟系统，其特征在于：所述立体颅骨模型由透明光敏树脂材料制成。